专题三：13.案例一：温度开关控制直流有刷电机
写在前面的话：
此系列文章主要记录以下问题：
(1) 模拟电路设计
(2) MCU电路设计
…
学习笔记总目录：专题一(软件)、专题二(无刷直流电机)、专题三(硬件)
1.功能需求
用一个温度开关(传感器)控制一个直流电机，当温度大于70°时，温度开关开通，直流电机转动，同时红LED灯亮；当温度降为40°时，温度开关关闭，直流电机停止转动，同时绿LED灯亮。
2.方案一(控制电机部分)
说明与评价：
因为流过温度开关的电流一般很小，通常传感器元件一般作为信号的输入端，用来控制负载，而不会直接与负载串联。
3.改进方案二：温度开关控制三极管
说明与评价
(1)将一个三极管用作开关作用，用温度开关的弱电流信号来控制三极管的导通与关闭，从而控制电机的转与停。
(2)不足之处：电流和电压都是模拟量，不能突变为0，当温度开关闭合的瞬间，三极管基极电流降为零需要一段时间，此时三极管处于放大工作状态，极其不稳定，很容易受外界的干扰。譬如工作在放大区时来了一个高压静电，就有可能将三极管击穿；因此要将工作在放大区的时间尽可能缩短，即基极电流放电速度尽可能加快，因此可以在基极处放一个下拉电阻，加快放电速度。
4.改进方案三：加上 下拉电阻
说明和评价：
加了一个下拉电阻R2，一般==下拉电阻选择2K(经验值)==比较合适。如果阻值太小，会在R2处产生一个大的电流，这个电流对系统没有任何作用，是无用的，我们称它为漏电流。漏电流大，会使系统无用功率也就大。如果阻值太大，三极管关断时的放电速度会变慢，让三极管处于放大区的时间加长，这也不符合需求。
下拉电阻起到的作用：
(1)缩短三极管的放电的时间，当温度开关闭合，三极管可以更快的关闭，减少处于放大区的时间。
(2)避免出现高阻态（芯片的引脚什么都不接，相当于该引脚和电源之间接了一个无穷大的电阻，即该引脚所在通路的电阻非常大，称该引脚处于高阻态，如果此时有高压静电，电流只能往芯片内部流，很有可能会烧坏芯片，所以在电路设计中，任何器件的输入引脚要么接上拉电阻，要么接下拉电阻，即工作在两态）。
(3)当有高压静电时，提供了放电通路，避免高压静电直接流入三极管。
(4)不足之处：机械开关/温度开关在闭合的瞬间会产生一个高dv/dt（尖峰电压），会对后续元器件造成损伤，因此需要进行滤波。
5.改进方案四：加上RC滤波电路
说明与评价
(1)加上了滤波电路，可以滤除在开关闭合瞬间产生的尖峰电压。
(2)不足之处：因为存在电容C2，当开关断开时，C2中的电荷也会通过R2和三极管(两条放电路线)进行放电；从而增加了三极管的闭合时间。所以需要在R3的前面加上给C2放电的放电电路（在后面有讲）。
6.改进方案五：加上对LED灯的控制电路
说明：
(1)利用二极管的钳位作用，当Q1三极管导通时，a点电压为0.3V，b点电压为1V（0.3+二极管的钳位电压0.7V）；1V小于LED的导通电压3.3V，所以绿LED不会亮，红LED与三极管串联，故不会亮。当三极管截止时，电流不会从b处流进二极管，而是直接流经绿LED，所以绿LED被点亮，红LED不亮。
(2)注：N型三极管作为一个开关管时，e极一般接地，c极接负载。
7.使用P型三极管看看能不能实现功能
7.1.原理图一
分析：
加了上拉电阻，避免了b极三态的出现。功能也符合要求。但是，当开关闭合的瞬间，会有一个浪涌电流或尖峰电压，所以需要加上滤波延时电路。如下图所示，加上了电容C6，C6和R3组成延时滤波电路。
说明与评价
系统刚上电时，温度开关断开，12V开始供电，电流会对电容C6充电，所以此时三极管的基极有电流流过(给C6充电的电流)，即三极管导通，电机A也会转。所以这种设计也不合理。
7.2.改进电路原理图
说明与评价：
再加一个N型三极管即可解决原理图一的问题。
思考：将红框部分的电路挪移到三极管的E极，C极直接接地是否可行？
当三极管导通时，a点电压为0.3V，此时E B之间的电压差不足0.7V，三极管处于放大状态，导致a点的电压很高，电机分得的电压就很少，所以不能将红框部分的电路挪移到E极。
总结：
N型三极管，一般E极接地，负载放在C极；P型三极管，一般C极先接负载，然后再接地，E极直接接电源。
8.改进滤波电容放电问题
问题说明：
因为存在滤波电容C2，当温度开关断开时，C2经过下拉电阻R2和三极管Q1进行放电，C2放电过程中，电机任然在转；这是不合理的。必须要在C2之前加上放电电路，让C2尽可能的通过前面的电路进行放电。
方案：
分析：
(1)当温度开关断开时，C2会通过前面的三极管放电；但开关闭合时，三极管任然会导通，所以必须让B极电压为12V，比E极高，这样在开关闭合时才不会导通。
(2)上面的电路存在的问题：第一，直接将三极管短路；第二，会产生漏电流(流过下面的R1/10K电阻时，会产生电流，该电流是浪费的、没用的，称为漏电流，漏电流过大，会增加系统无用功耗)。
8.1.改进方案一：
分析：
上面的电路解决了短路问题，但仍存在的问题：C5放电的时候会经过三极管和上面的R1电阻，当三极管导通时，EC之间的电流是非常大的(比另一条放电路径大)，所以应该尽量让放电电流从三极管流过。问题二：因为增加了一个电阻，所以RC延时电路的延时时间将不再时4.7us。
8.2.改进方案二
分析：
使用二极管代替电阻。
8.3.改进方案四：最完美的电路
分析：
方案三，C5不光会通过前面1KR1进行放电，也会通过后面的10K电阻进行放电(虽然电流很小，但确实存在)。如果在R1上面加上一个二极管，则可以让电流尽可能的从前面的1KR1进行放电，最大程度的加快放电速度。
注意：
开关闭合时，在工程项目中，漏电流一般在1mA上下，太大增加系统功耗。故R1为10K是合理的。漏电流一般为1mA是可以的。
9.电感特性
(1)电感中的电流是渐变量，类似于电容两端的电压不能突变。
(2)如果一个电流通过一个电感，电流的变化会在电感周围产生磁场，磁场会阻碍电流的变化。即自感会阻碍电流的变化；电流变大，自感阻碍该电流变大；电流变小，自感会阻碍该电流变小。
(3)自感的方向和电流变化的方向相反。
(4)电感是储能器件，以电流的形式储存能量，并且本身不消耗能量。类似于水流，水流越大，储存的能量也就越大。
(5)电容的电压上升波形和电感的自感电流的上升波形类似。
10.电机的改进
分析：
改进1：电机里面有很多线圈，可以把电机类比为一个电感，当断电的瞬间，电感会有一个自感电压，上面的电路中，当断电的瞬间，1处为负，2处为正；所以2处的电压会非常大，有可能将下面的三极管Q1烧坏，所以可以将一个二极管反向和电机并联。让感应电流通过二极管流回电源；并且可以将2处的电压钳位在12.7V（二极管的两端的压降为0.7V）。
改进2：为了让绿LED在三极管Q1导通时绝对不会亮，可以在绿LED的下面在加一个二极管，起电压钳位作用。